1. Pengenalan

Zink telluride (ZnTe) ialah bahan semikonduktor kumpulan II-VI yang penting dengan struktur celah jalur langsung. Pada suhu bilik, jurang jalurnya adalah kira-kira 2.26eV, dan ia menemui aplikasi yang luas dalam peranti optoelektronik, sel suria, pengesan sinaran dan medan lain. Artikel ini akan memberikan pengenalan terperinci kepada pelbagai proses sintesis untuk telurida zink, termasuk tindak balas keadaan pepejal, pengangkutan wap, kaedah berasaskan larutan, epitaksi rasuk molekul, dsb. Setiap kaedah akan diterangkan secara menyeluruh dari segi prinsip, prosedur, kelebihan dan kekurangannya, serta pertimbangan utama.

2. Kaedah Tindak Balas Keadaan Pepejal untuk Sintesis ZnTe

2.1 Prinsip

Kaedah tindak balas keadaan pepejal ialah pendekatan paling tradisional untuk menyediakan telurida zink, di mana zink dan telurium ketulenan tinggi bertindak balas secara langsung pada suhu tinggi untuk membentuk ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Prosedur Terperinci

2.2.1 Penyediaan Bahan Mentah

1. Pemilihan Bahan: Gunakan butiran zink ketulenan tinggi dan ketulan telurium dengan ketulenan ≥99.999% sebagai bahan permulaan.
2. Prarawatan Bahan:
   • Rawatan zink: Mula-mula rendam dalam asid hidroklorik cair (5%) selama 1 minit untuk menghilangkan oksida permukaan, bilas dengan air ternyahion, basuh dengan etanol kontang, dan akhirnya kering dalam ketuhar vakum pada suhu 60°C selama 2 jam.
   • Rawatan Tellurium: Rendam pertama dalam aqua regia (HNO₃:HCl=1:3) selama 30 saat untuk mengeluarkan oksida permukaan, bilas dengan air ternyahion sehingga neutral, basuh dengan etanol kontang, dan akhirnya kering dalam ketuhar vakum pada suhu 80°C selama 3 jam.
3. Penimbangan: Timbang bahan mentah dalam nisbah stoikiometrik (Zn:Te=1:1). Memandangkan kemungkinan volatilisasi zink pada suhu tinggi, lebihan 2-3% boleh ditambah.

2.2.2 Pengadunan Bahan

1. Mengisar dan Mencampur: Letakkan zink dan telurium yang telah ditimbang dalam mortar batu akik dan kisar selama 30 minit dalam kotak sarung tangan berisi argon sehingga sebati.
2. Pelet: Letakkan serbuk campuran ke dalam acuan dan tekan ke dalam pelet dengan diameter 10-20mm di bawah tekanan 10-15MPa.

2.2.3 Penyediaan Kapal Tindak Balas

1. Rawatan Tiub Kuarza: Pilih tiub kuarza ketulenan tinggi (diameter dalam 20-30mm, ketebalan dinding 2-3mm), mula-mula rendam dalam aqua regia selama 24 jam, bilas dengan air ternyahion dan keringkan dalam ketuhar pada suhu 120°C.
2. Pemindahan: Letakkan pelet bahan mentah ke dalam tiub kuarza, sambungkan ke sistem vakum, dan pindahkan ke ≤10⁻³Pa.
3. Pengedap: Tutup tiub kuarza menggunakan nyalaan hidrogen-oksigen, memastikan panjang pengedap ≥50mm untuk kedap udara.

2.2.4 Tindak Balas Suhu Tinggi

1. Peringkat Pemanasan Pertama: Letakkan tiub kuarza tertutup dalam relau tiub dan panaskan hingga 400°C pada kadar 2-3°C/min, tahan selama 12 jam untuk membenarkan tindak balas awal antara zink dan telurium.
2. Peringkat Pemanasan Kedua: Teruskan pemanasan kepada 950-1050°C (di bawah takat lembut kuarza 1100°C) pada 1-2°C/min, tahan selama 24-48 jam.
3. Goyang Tiub: Semasa peringkat suhu tinggi, condongkan relau pada 45° setiap 2 jam dan goyang beberapa kali untuk memastikan bahan tindak balas bercampur dengan teliti.
4. Penyejukan: Selepas tindak balas selesai, sejukkan perlahan-lahan ke suhu bilik pada 0.5-1°C/min untuk mengelakkan sampel retak akibat tekanan haba.

2.2.5 Pemprosesan Produk

1. Penyingkiran Produk: Buka tiub kuarza dalam kotak sarung tangan dan keluarkan produk tindak balas.
2. Pengisaran: Kisar semula produk menjadi serbuk untuk mengeluarkan sebarang bahan yang tidak bertindak balas.
3. Penyepuhlindapan: Anilkan serbuk pada suhu 600°C di bawah suasana argon selama 8 jam untuk melegakan tekanan dalaman dan meningkatkan kehabluran.
4. Pencirian: Lakukan XRD, SEM, EDS, dsb., untuk mengesahkan ketulenan fasa dan komposisi kimia.

2.3 Pengoptimuman Parameter Proses

1. Kawalan Suhu: Suhu tindak balas optimum ialah 1000±20°C. Suhu yang lebih rendah boleh mengakibatkan tindak balas yang tidak lengkap, manakala suhu yang lebih tinggi boleh menyebabkan volatilisasi zink.
2. Kawalan Masa: Masa memegang hendaklah ≥24 jam untuk memastikan tindak balas yang lengkap.
3. Kadar Penyejukan: Penyejukan perlahan (0.5-1°C/min) menghasilkan butiran kristal yang lebih besar.

2.4 Analisis Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Proses yang mudah, keperluan peralatan yang rendah
• Sesuai untuk pengeluaran batch
• Ketulenan produk yang tinggi

Kelemahan:

• Suhu tindak balas yang tinggi, penggunaan tenaga yang tinggi
• Taburan saiz bijian tidak seragam
• Mungkin mengandungi sejumlah kecil bahan yang tidak bertindak balas

3. Kaedah Pengangkutan Wap untuk Sintesis ZnTe

3.1 Prinsip

Kaedah pengangkutan wap menggunakan gas pembawa untuk mengangkut wap reaktan ke zon suhu rendah untuk pemendapan, mencapai pertumbuhan arah ZnTe dengan mengawal kecerunan suhu. Iodin biasanya digunakan sebagai agen pengangkutan:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Prosedur Terperinci

3.2.1 Penyediaan Bahan Mentah

1. Pemilihan Bahan: Gunakan serbuk ZnTe ketulenan tinggi (ketulenan ≥99.999%) atau serbuk Zn dan Te yang dicampur secara stoikiometrik.
2. Penyediaan Ejen Pengangkutan: Hablur iodin ketulenan tinggi (ketulenan ≥99.99%), dos isipadu tiub tindak balas 5-10mg/cm³.
3. Rawatan Tiub Kuarza: Sama seperti kaedah tindak balas keadaan pepejal, tetapi tiub kuarza yang lebih panjang (300-400mm) diperlukan.

3.2.2 Pemuatan Tiub

1. Peletakan Bahan: Letakkan serbuk ZnTe atau campuran Zn+Te pada satu hujung tiub kuarza.
2. Penambahan Iodin: Tambahkan kristal iodin ke dalam tiub kuarza dalam kotak sarung tangan.
3. Pemindahan: Pindah ke ≤10⁻³Pa.
4. Pengedap: Kedap dengan nyalaan hidrogen-oksigen, pastikan tiub itu mendatar.

3.2.3 Persediaan Kecerunan Suhu

1. Suhu Zon Panas: Tetapkan kepada 850-900°C.
2. Suhu Zon Sejuk: Tetapkan kepada 750-800°C.
3. Panjang Zon Kecerunan: Kira-kira 100-150mm.

3.2.4 Proses Pertumbuhan

1. Peringkat Pertama: Panaskan hingga 500°C pada 3°C/min, tahan selama 2 jam untuk membenarkan tindak balas awal antara iodin dan bahan mentah.
2. Peringkat Kedua: Teruskan pemanasan ke suhu yang ditetapkan, kekalkan kecerunan suhu, dan kembangkan selama 7-14 hari.
3. Penyejukan: Selepas pertumbuhan selesai, sejukkan ke suhu bilik pada 1°C/min.

3.2.5 Pengumpulan Produk

1. Pembukaan Tiub: Buka tiub kuarza dalam kotak sarung tangan.
2. Pengumpulan: Kumpulkan kristal tunggal ZnTe pada hujung sejuk.
3. Pembersihan: Bersihkan secara ultrasonik dengan etanol kontang selama 5 minit untuk mengeluarkan iodin terjerap permukaan.

3.3 Titik Kawalan Proses

1. Kawalan Jumlah Iodin: Kepekatan iodin menjejaskan kadar pengangkutan; julat optimum ialah 5-8mg/cm³.
2. Kecerunan Suhu: Kekalkan kecerunan dalam lingkungan 50-100°C.
3. Masa Pertumbuhan: Biasanya 7-14 hari, bergantung pada saiz kristal yang diingini.

3.4 Analisis Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Kristal tunggal berkualiti tinggi boleh diperolehi
• Saiz kristal yang lebih besar
• Kesucian yang tinggi

Kelemahan:

• Kitaran pertumbuhan yang panjang
• Keperluan peralatan yang tinggi
• Hasil rendah

4. Kaedah Berasaskan Penyelesaian untuk Sintesis Bahan Nano ZnTe

4.1 Prinsip

Kaedah berasaskan penyelesaian mengawal tindak balas prekursor dalam larutan untuk menyediakan zarah nano atau wayar nano ZnTe. Reaksi biasa ialah:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Prosedur Terperinci

4.2.1 Penyediaan Reagen

1. Sumber Zink: Zink asetat (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), ketulenan ≥99.99%.
2. Telurium Sumber: Telurium dioksida (TeO₂), ketulenan ≥99.99%.
3. Agen Penurunan: Natrium borohidrida (NaBH₄), ketulenan ≥98%.
4. Pelarut: Air ternyahion, etilenadiamine, etanol.
5. Surfaktan: Cetyltrimetilammonium bromida (CTAB).

4.2.2 Penyediaan Telurium Prekursor

1. Penyediaan Penyelesaian: Larutkan 0.1mmol TeO₂ dalam 20ml air ternyahion.
2. Reaksi Pengurangan: Tambah 0.5mmol NaBH₄, kacau secara magnetik selama 30 minit untuk menghasilkan larutan HTe⁻.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. Atmosfera Perlindungan: Kekalkan aliran nitrogen sepanjang untuk mengelakkan pengoksidaan.

4.2.3 Sintesis Nanozarah ZnTe

1. Penyediaan Penyelesaian Zink: Larutkan 0.1mmol zink asetat dalam 30ml ethylenediamine.
2. Tindak Balas Pencampuran: Masukkan larutan HTe⁻ secara perlahan ke dalam larutan zink, bertindak balas pada 80°C selama 6 jam.
3. Sentrifugasi: Selepas tindak balas, sentrifuge pada 10,000rpm selama 10 minit untuk mengumpul produk.
4. Mencuci: Mencuci ganti dengan etanol dan air ternyahion tiga kali.
5. Pengeringan: Vakum kering pada 60°C selama 6 jam.

4.2.4 Sintesis Nanowire ZnTe

1. Penambahan Templat: Tambah 0.2g CTAB ke dalam larutan zink.
2. Tindak Balas Hidroterma: Pindahkan larutan campuran ke dalam autoklaf beralas Teflon 50ml, bertindak balas pada 180°C selama 12 jam.
3. Pasca Pemprosesan: Sama seperti nanozarah.

4.3 Pengoptimuman Parameter Proses

1. Kawalan Suhu: 80-90°C untuk zarah nano, 180-200°C untuk wayar nano.
2. Nilai pH: Kekalkan antara 9-11.
3. Masa Tindak Balas: 4-6 jam untuk zarah nano, 12-24 jam untuk wayar nano.

4.4 Analisis Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Reaksi suhu rendah, penjimatan tenaga
• Morfologi dan saiz yang boleh dikawal
• Sesuai untuk pengeluaran berskala besar

Kelemahan:

• Produk mungkin mengandungi kekotoran
• Memerlukan pasca pemprosesan
• Kualiti kristal yang lebih rendah

5. Molecular Beam Epitaxy (MBE) untuk Penyediaan Filem Nipis ZnTe

5.1 Prinsip

MBE menumbuhkan filem nipis kristal tunggal ZnTe dengan mengarahkan rasuk molekul Zn dan Te ke substrat di bawah keadaan vakum ultra tinggi, mengawal nisbah fluks rasuk dan suhu substrat dengan tepat.

5.2 Prosedur Terperinci

5.2.1 Penyediaan Sistem

1. Sistem Vakum: Vakum asas ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Penyediaan Sumber:
   • Sumber zink: zink ketulenan tinggi 6N dalam mangkuk BN.
   • Sumber Telurium: Telurium ketulenan tinggi 6N dalam mangkuk PBN.
3. Penyediaan substrat:
   • Substrat GaAs(100) yang biasa digunakan.
   • Pembersihan substrat: Pembersihan pelarut organik → goresan asid → pembilasan air ternyahion → pengeringan nitrogen.

5.2.2 Proses Pertumbuhan

1. Substrat Outgassing: Bakar pada suhu 200°C selama 1 jam untuk mengeluarkan penjerap permukaan.
2. Penyingkiran Oksida: Panaskan hingga 580°C, tahan selama 10 minit untuk mengeluarkan oksida permukaan.
3. Pertumbuhan Lapisan Penampan: Sejukkan hingga 300°C, tumbuhkan lapisan penimbal ZnTe 10nm.
4. Pertumbuhan Utama:
   • Suhu substrat: 280-320°C.
   • Tekanan setara rasuk zink: 1×10⁻⁶Torr.
   • Tekanan setara pancaran Tellurium: 2×10⁻⁶Torr.
   • Nisbah V/III dikawal pada 1.5-2.0.
   • Kadar pertumbuhan: 0.5-1μm/j.
5. Penyepuhlindapan: Selepas pertumbuhan, penyepuhlindapan pada 250°C selama 30 minit.

5.2.3 Pemantauan Dalam Situ

1. Pemantauan RHEED: Pemerhatian masa nyata pembinaan semula permukaan dan mod pertumbuhan.
2. Spektrometri Jisim: Pantau keamatan rasuk molekul.
3. Termometri Inframerah: Kawalan suhu substrat yang tepat.

5.3 Titik Kawalan Proses

1. Kawalan Suhu: Suhu substrat menjejaskan kualiti kristal dan morfologi permukaan.
2. Nisbah Fluks Rasuk: Nisbah Te/Zn mempengaruhi jenis dan kepekatan kecacatan.
3. Kadar Pertumbuhan: Kadar yang lebih rendah meningkatkan kualiti kristal.

5.4 Analisis Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Kawalan komposisi dan doping yang tepat.
• Filem kristal tunggal berkualiti tinggi.
• Permukaan rata secara atom boleh dicapai.

Kelemahan:

• Peralatan yang mahal.
• Kadar pertumbuhan perlahan.
• Memerlukan kemahiran operasi lanjutan.

6. Kaedah Sintesis Lain

6.1 Pemendapan Wap Kimia (CVD)

1. Prekursor: Diethylzinc (DEZn) dan diisopropyltelluride (DIPTe).
2. Suhu Tindak Balas: 400-500°C.
3. Gas Pembawa: Nitrogen atau hidrogen ketulenan tinggi.
4. Tekanan: Tekanan atmosfera atau rendah (10-100Torr).

6.2 Penyejatan Terma

1. Bahan Sumber: Serbuk ZnTe berketulenan tinggi.
2. Tahap Vakum: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Suhu Penyejatan: 1000-1100°C.
4. Suhu Substrat: 200-300°C.

7. Kesimpulan

Pelbagai kaedah wujud untuk mensintesis telurida zink, masing-masing mempunyai kelebihan dan keburukan tersendiri. Tindak balas keadaan pepejal sesuai untuk penyediaan bahan pukal, pengangkutan wap menghasilkan kristal tunggal berkualiti tinggi, kaedah penyelesaian sesuai untuk bahan nano, dan MBE digunakan untuk filem nipis berkualiti tinggi. Aplikasi praktikal harus memilih kaedah yang sesuai berdasarkan keperluan, dengan kawalan ketat parameter proses untuk mendapatkan bahan ZnTe berprestasi tinggi. Arah masa hadapan termasuk sintesis suhu rendah, kawalan morfologi dan pengoptimuman proses doping.